JPH0934524A - ロボットマニピュレータの移動経路の自動生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的小さな記憶領域で，実用的な計算時間
で高速に経路生成することが可能であるロボットマニピ
ュレータの移動経路の自動生成方法。 【解決手段】 本方法は，三次元空間内で作業するロボ
ットマニピュレータの要素を障害物を回避しつつ，初期
位置から目標位置まで移動させる経路を自動生成する際
に，上記要素の初期位置と目標位置とを含む複数の平面
の内の所望の平面上の障害物の断面を要素が障害物との
干渉を回避できる程度に拡大した侵入禁止領域を作成し
（Ｓ０１，Ｓ０２），上記所望の平面上の上記要素の初
期位置と目標位置とを直線で結んで上記経路を初期生成
し，上記経路が上記侵入禁止領域と干渉するときは，上
記経路を，上記侵入禁止領域との干渉回避するような侵
入禁止領域の頂点を通る経路に補正する（Ｓ０３，Ｓ０
４）ように構成されている。上記構成により，比較的小
さな記憶領域で実用的な計算時間による高速な経路生成
処理が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，ロボットマニピュ
レータの移動経路の自動生成方法に係り，詳しくは三次
元空間内で作業をするロボットマニピュレータの要素
を，障害物を回避しつつ，初期位置から目標位置まで移
動させる経路を自動生成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】三次元空間内で作業するロボットマニピ
ュレータの要素を，障害物を回避しつつ，初期位置から
目標位置まで移動させる経路を自動生成する方法につい
ては多くの開示例がある。例えば，特開平４−２３５６
０６号公報及び特開平４−２８０３０４号公報では，い
ずれもコンフィギュレーション空間法を用いている。但
し，コンフィギュレーション空間法そのままでは計算量
が膨大となるため，前者ではコンフィギュレーション空
間において，障害物と自由空間との境界部分近傍の自由
空間を順次探索することにより計算量の減少を図ってい
る。また，後者ではコンフィギュレーション空間の一種
である関節角度空間と直交座標空間とを対応付けたテー
ブルを備えることにより，計算量を減らし高速化を図っ
ている。また，特開平５−２５００２３号公報では，ポ
テンシャル法を用いており，そのポテンシャル場生成に
神経回路網を応用している。ここでは，多関節マニピュ
レータの各リンクと障害物との距離から計算される危険
度を用いて神経回路網を学習させ，衝突の危険に関する
評価計算を容易にしている。なお軌道生成には降下法を
用いている。さらに，特開平５−１１９８１５号公報及
び特開平５−２０４４３６号公報では，コンフィギュレ
ーション空間法とポテンシャル法の両方を用いている。
即ち前者では障害物からの距離によって変化する評価関
数をコンフィギュレーション空間に反映することによっ
て，生成された経路が障害物のごく近傍に設定される傾
向を回避しており，ここでは探索手法としてＡ^* アルゴ
リズムを用いている。また後者では，ポテンシャル空間
の探索手法としてカオス的最急降下法を用いて局所的な
極小点（ローカルミニマム）から確実に脱出させてい
る。このように，いずれの開示例も障害物が存在する環
境において，障害物を回避しながらロボットマニピュレ
ータが初期姿勢から目標姿勢まで移動する三次元におけ
る干渉回避問題をそのままあつかっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
ロボットマニピュレータの移動経路の自動生成方法で
は，以下のような問題点があった。 （１）多量の記憶領域が必要である。コンフィギュレー
ション空間法では，障害物が存在しない自由空間を記憶
しておく必要がある。特開平４−２３５６０６号，特開
平４−２８０３０４号公報及び特開平５−２５００２３
号公報では，空間をセル分割して取り扱い情報量の圧縮
を行っているが，それでもなお多量の記憶領域が必要で
ある。 （２）計算時間等がかかる。ポテンシャル法では，複雑
な形状の障害物が存在する場合，ポテンシャル場の計算
に時間がかかる。特開平５−１１９８１５号公報では，
神経回路網の並列処理性を生かした高速な衝突回避処理
を主張しているが，神経回路網の学習時間を考慮した場
合必ずしも高速処理とはならない。また，コンフィギュ
レーション空間法では，直交座標空間とコンフィギュレ
ーション空間との間の写像計算に多大な計算を要する。
従って，空間の次元が高くなると，コンフィギュレーシ
ョン空間での自由空間を効率よく算出することが困難で
ある。特開平４−２８０３０４号公報では，直交座標空
間とコンフィギュレーション空間とを対応付けたテーブ
ルを用いて計算量を減らしているが，その分だけ多量の
記憶領域が必要となる。

【０００４】（３）生成された経路が障害物のごく近傍
に設定されることがある。コンフィギュレーション空間
法では，直交座標空間ではなくコンフィギュレーション
空間により経路計画を行うため，直交座標空間における
位置を考慮することは困難である。そのため，生成され
た経路が直交座標空間では，障害物のごく近傍に設定さ
れることがある。 （４）生成された経路が障害物から必要以上に迂回して
設定されることがある。上記（３）と同様の理由から，
コンフィギュレーション空間法では，生成された経路が
障害物から必要以上に迂回して設定されることがある。
また，ポテンシャル法では，ポテンシャル場の生成にお
けるパラメータの調整によって，経路が障害物のごく近
傍に設定されることを防ぐことはできるが，必要以上に
迂回することを防ぐことは困難である。しかも，一般に
パラメータ調整は試行錯誤的なものであるため，その正
確な調整は困難である。従って経路の設定によってはポ
テンシャル場に局所的極小点が発生し，探索途中で停留
することがある。このため特開平５−２０４４３６号公
報では，カオスの時間発展方程式から生じる振動成分に
より局所的極小点から抜け出す方法を呈示しているもの
の，局所的極小点を通った経路はよけいな回り道をして
いる可能性がある。本発明は，このような従来の技術に
おける課題を解決するために，ロボットマニピュレータ
の移動経路の自動生成方法を改良し，比較的小さな記憶
容量で，実用的な計算時間による高速な経路生成処理を
実現し得るロボットマニピュレータの移動経路の自動生
成方法を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，三次元空間内で作業をするロボットマニピ
ュレータの要素を，障害物を回避しつつ，初期位置から
目標位置まで移動させる経路を自動生成する方法におい
て，上記要素の初期位置と目標位置とを含む複数の平面
のうちの所望の平面上の障害物の断面形状を，ロボット
マニピュレータの要素が障害物との干渉を回避できる程
度に拡大した侵入禁止領域を作成し，上記所望の平面上
の上記要素の初期位置と目標位置とを直線で結んで上記
経路を初期生成し，上記経路が上記侵入禁止領域と干渉
するときは，上記経路を，上記侵入禁止領域との干渉を
回避するような侵入禁止領域の頂点を通る経路に補正し
てなることを特徴とするロボットマニピュレータの移動
経路の自動生成方法として構成されている。さらには，
上記補正された経路が複数ある場合には，所定の評価を
行って１つの経路を選択するロボットマニピュレータの
移動経路の自動生成方法である。さらには，上記所望の
平面が複数ある場合には，該所望の平面ごとに得られた
上記経路の中から，所定の評価を行って１つの経路を選
択するロボットマニピュレータの移動経路の自動生成方
法である。

【０００６】本発明によれば，三次元空間内で作業をす
るロボットマニピュレータの要素を，障害物を回避しつ
つ，初期位置から目標位置まで移動させる経路を自動生
成するに際し，上記要素の初期位置と目標位置とを含む
複数の平面から所望の平面が選択される。そしてこの平
面上の障害物の断面形状をロボットマニピュレータの要
素が障害物との干渉を回避できる程度に拡大した侵入禁
止領域が作成される。上記ロボットマニピュレータの要
素が障害物との干渉を回避できる程度に拡大するとは，
例えば，安全を見込んだ所定距離拡大することや，その
距離を要素の加速度に応じて更に拡大すること等であ
る。次に，上記所望の平面上の上記要素の初期位置と目
標位置とを直線で結んで上記経路が初期生成される。上
記経路が上記侵入禁止領域と干渉する時は，上記経路
が，上記侵入禁止領域との干渉を回避するような侵入禁
止領域の頂点を通る経路に補正される。例えば，上記頂
点を通る経路の内，上記侵入禁止領域内を通るような経
路は無効とされる。このように，三次元空間内での障害
物回避を，本発明では二次元平面障害物回避問題に帰着
させる。その結果，比較的小さな記憶領域で，実用的な
計算時間による高速な経路生成処理が実現できる。ま
た，経路についても，障害物との干渉を起こすことな
く，且つ必要以上に迂回することもないものが生成され
る。さらに，上記補正された経路が複数ある場合には，
所定の評価を行って１つの経路を選択すればよい。さら
に，干渉回避を立体的に考えるために上記所望の平面を
複数考える場合には，該所望の平面ごとに得られた上記
経路の中から所定の評価を行って１つの経路を選択すれ
ばよい。このように，複数の解が得られた時に，その絞
り込みをも自動的に行うことができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】及び

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明の実施の形
態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。
尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化し
た一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格の
ものではない。ここに，図１は本発明の実施の形態及び
実施例（第１の実施例）に係るロボットマニピュレータ
の移動経路の自動生成方法の概略構成を示すフロー図，
図２は本発明の他の実施例（第２の実施例）に係るロボ
ットマニピュレータの移動経路の自動生成方法の概略構
成を示すフロー図，図３は本第１の実施例方法において
設定した平面の具体例を示す説明図，図４は上記平面に
対するステップＳ０２実行後の状態を示す説明図，図５
は上記平面に対するステップＳ０４実行後の状態を示す
説明図，図６は上記平面に対する移動経路生成の最終状
態を示す説明図である。

【０００８】本発明の実施の形態及び実施例（第１の実
施例）に係るロボットマニピュレータの移動経路の自動
生成方法は，三次元空間内で作業をするロボットマニピ
ュレータの要素を，障害物を回避しつつ，初期位置から
目標位置まで移動させる経路を自動生成する点で従来例
と同様である。しかし，本第１の実施例では，図１に示
す如く，上記要素の初期位置と目標位置とを含む複数の
平面の内の所望の平面上の障害物の断面形状を，ロボッ
トマニピュレータの要素が障害物との干渉を回避できる
程度に拡大した侵入禁止領域を作成し（Ｓ０１，Ｓ０
２），上記所望の平面上の上記要素の初期位置と目標位
置とを直線で結んで上記経路を初期生成し，上記経路が
上記侵入禁止領域と干渉するときは，上記経路を，上記
侵入禁止領域との干渉を回避するような侵入禁止領域の
頂点を通る経路に補正する（Ｓ０３，Ｓ０４）ように構
成されている点で従来例と異なる。さらに，上記補正さ
れた経路が複数ある場合には，所定の評価を行って１つ
の経路を選択することとしてもよい（Ｓ０５）。上記ロ
ボットマニピュレータの要素が障害物との干渉を回避で
きる程度に拡大するとは，例えば，安全を見込んだ所定
距離拡大することや，その距離を要素の加速度に応じて
更に拡大すること等である。

【０００９】以下，本第１の実施例方法によるロボット
マニピュレータの手先経路計画についてさらに詳しく述
べる。図１において，先ず，ロボットマニピュレータ手
先の初期位置および目標位置の２点を含む無数の平面の
うちオペレータの任意の選択による代表的な平面（所望
の平面に相当）上で障害物の断面形状を作成する（Ｓ０
１）。この平面上には，図３に示すように手先の初期位
置，目標位置及び障害物の断面が存在する。図３中，マ
ニピュレータの手先（要素の１つに相当）の初期位置は
Ｓｔａｒｔ，目標位置はＧｏａｌであり，ハッチングさ
れた３つの閉領域Ｏｂｓ１，Ｏｂｓ２，Ｏｂｓ３はいず
れも障害物の断面を示す。このような平面に対してステ
ップＳ０２，Ｓ０３を実行した後の状態を図４に示し
た。図４において，ステップＳ０２では，与えられたロ
ボットマニピュレータの手先と障害物との干渉を回避す
るための回避距離ｒに基づいて，障害物断面を距離ｒだ
け拡大した侵入禁止領域を設定する。この距離ｒはユー
ザが指定した一律の値としてもよいし，障害物断面の大
きさに応じて一定比率の大きさを自動設定するものであ
ってもよい。またロボットの加速度に応じて距離ｒを伸
縮してもよい。図４では障害物断面Ｏｂｓ１及びＯｂｓ
２は，お互いが近傍に存在するため侵入禁止領域同士が
重なる。そこで，この２つの領域を統合し，１つの侵入
禁止領域として表示する。即ち，ステップＳ０２の実行
終了後，侵入禁止領域Ａ１及びＡ２が生成される。

【００１０】引き続いて，ステップＳ０３では，ステッ
プＳ０２で生成された侵入禁止領域と仮想経路との干渉
チェックを行う。ステップＳ０３の１度目の実行では，
まだ干渉を回避するための回避点が生成されていないの
で，初期位置Ｓｔａｒｔと目標位置Ｇｏａｌとの間を直
線で結んだ仮想経路Ｔｒ０１について干渉チェックを行
う。図４では，侵入禁止領域Ａ１と仮想経路Ｔｒ０１と
が干渉しているため，この後に仮想経路Ｔｒ０１に対し
てステップＳ０４を実行する。ステップＳ０４，Ｓ０３
を実行した後の状態を図５に示した。図５においてステ
ップＳ０４では，その直前に実行されたステップＳ０３
の干渉情報に基づいて，回避点の設定を行う。上記直前
に実行されたステップＳ０３では，侵入禁止領域Ａ１と
仮想経路Ｔｒ０１とが干渉していた。そこで，侵入禁止
領域Ａ１の頂点情報を用いて，侵入禁止領域Ａ１との干
渉を回避する回避点を設定する。この場合，回避点Ｐ１
１及びＰ１２とが設定される。

【００１１】引き続いてステップＳ０３では，侵入禁止
領域と仮想経路との干渉チェックを行う。ステップＳ０
３の２度目以降の実行では，既に回避点が生成されてい
る。そのため，初期位置Ｓｔａｒｔと回避点Ｐ１１との
間を直線で結んだ仮想経路Ｔｒ１１，回避点Ｐ１１と回
避点Ｐ１２との間を直線で結んだ仮想経路Ｔｒ１２，そ
して回避点Ｐ１２と目標位置Ｇｏａｌとの間を直線で結
んだ仮想経路Ｔｒ１３について，それぞれ干渉チェック
を行う。そして，干渉している仮想経路に対して，それ
ぞれステップＳ０４を実行する。図５では，仮想経路Ｔ
ｒ１１及び仮想経路Ｔｒ１２については，侵入禁止領域
と干渉していないが，仮想経路Ｔｒ１３については，侵
入禁止領域Ａ２と干渉している。そこで，この後に仮想
経路Ｔｒ１３に対してステップＳ０４を実行する。この
平面における経路生成の最終状態を図６に示した。ここ
では，上記図５において干渉を起こしていた回避点Ｐ１
２と目標位置Ｇｏａｌとの間に，ステップＳ０４による
回避点Ｐ２１が設定されている。新たな仮想経路Ｔｒ２
１及びＴｒ２２では干渉が生じていないため，これで経
路生成処理が終了する。これにより，初期位置Ｓｔａｒ
ｔから目標位置Ｇｏａｌまでのロボットマニピュレータ
の手先経路として，Ｔｒ１１，Ｔｒ１２，Ｔｒ２１そし
てＴｒ２２を得ることができた。

【００１２】尚，上記では図３の平面の上部での経路生
成の一例を説明したが，同様の処理手順で平面上部又は
下部での他の経路生成も可能である。例えばＳｔａｒｔ
→Ｐ１３→Ｐ１４→Ｇｏａｌを通過する他の仮想経路の
生成も可能である。また，Ｓｔａｒｔ→Ｐ１５→Ｐ１６
→Ｇｏａｌの経路も考えられるが，この場合，経路が侵
入禁止領域内を通るので，採用されない。即ち，本発明
は平面における経路の生成範囲を限定するわけではな
い。従って，このように複数の経路生成が行われた場
合，評価関数に基づき干渉回避軌跡の選択を行って，１
つの経路を選択する（Ｓ０５）。具体的にはまず干渉を
起こす軌跡を除き，残ったものの中から評価関数を最適
にするものを選ぶ。この評価関数としては軌跡の距離を
用いたり，マニピュレータのアームと障害物との距離，
あるいは回避点の数を用いたり，あるいは用途によって
用いる評価関数を切り換えることによりいろいろな要求
に柔軟に対応した干渉軌跡の選択を行うことができる。

【００１３】ところで，三次元の干渉回避を考えるため
には，複数の平面上で考える必要の生じる場合がある。
このように上記所望の平面が複数ある場合には，図２に
示すように該所望の平面ごとに得られた上記経路の中か
ら，所定の評価を行って１つの経路を選択する（Ｓ１１
〜Ｓ１３）ようにしてもよい（本発明の他の実施例（第
２の実施例））。以下，本第２の実施例によるロボット
マニピュレータの手先経路計画手法についてさらに詳し
く述べる。図２において，先ずロボットマニピュレータ
の手先の初期位置及び目標位置の２点を含む無数の平面
から用途に応じていくつかの代表的な平面を選択する
（Ｓ１１）。この選択は，オペレータの任意の選択とし
てもよいし，予め定められた規則に従って自動選択する
ようにしてもよい。予め定められた規則とは，例えばロ
ボット又は障害物を基準とした水平＋垂直＋その間一定
の傾き間隔で平面を選択する等である。

【００１４】次に，上記選択されたいくつかの平面につ
いて各平面上の干渉回避軌跡を生成する（Ｓ１２）。ス
テップＳ１２の具体的内容は上記第１の実施例方法にお
けるステップＳ０１〜Ｓ０５と同様である。そして，そ
れぞれの平面上で生成された干渉回避軌跡の中から，評
価関数に基づき干渉回避軌跡を選択し決定する（Ｓ１
３）。上記ステップＳ１１で多くの平面を選択すれば，
それだけ多くの干渉回避軌跡の候補を生成することにな
る。この選択方法についても前記第１の実施例における
ステップＳ０５と同様の方法を採用すればよい。但し，
ステップＳ０５を実行することなく，ステップＳ１３に
おいて，１度に複数の軌跡群の中から１つを選択するこ
ととしてもよい。以上のように，いずれの実施例でも三
次元における干渉回避問題を平面におけるマニピュレー
タ手先の経路生成へ帰着させ解決させることができる。
従って，本発明では使用記憶領域を比較的少なくするこ
とができる。これは従来例におけるコンフィギュレーシ
ョン空間を取り扱わないため，自由空間を記憶しておく
ための領域が必要ないためである。また，計算時間を抑
えることもできる。これはコンフィギュレーション空間
と直交座標空間との間の写像計算が必要ないためであ
る。さらに，経路の探索を三次元空間で行うことは，取
り扱う情報量が膨大である反面，その必要性は小さい。
探索空間を平面に限定することにより，取り扱う情報量
を減少でき，それに伴って計算量を抑えることができ
る。

【００１５】さらに，生成された経路を通るロボット要
素が障害物と干渉することを防ぐことができる。ロボッ
トマニピュレータ手先と障害物との回避距離ｒに基づい
て障害物回りに設定された侵入禁止領域内には，経路が
生成されることがないためである。さらに，障害物から
必要以上に迂回した経路が設定されることを防ぐことが
できる。経路生成はいくつかの回避点を設定することに
より行うことができるが，この回避点は干渉している侵
入禁止領域の頂点情報を用いて設定されるため，回避距
離ｒより大きく，障害物から離れることはないからであ
る。その結果，本発明によれば，ロボットマニピュレー
タの要素が周囲の干渉物との干渉を回避して初期位置か
ら目標位置まで移動できる経路を自動生成する問題にお
いて，比較的小さな記憶領域で，実用的な計算時間によ
る高速な経路生成処理を実現することができる。また，
経路についても障害物と干渉することなく，且つ必要以
上に迂回することもないので安全且つ能率のよい経路が
得られる。尚，上記実施例では，適用範囲としてロボッ
トマニピュレータの手先経路生成を一例をして述べた
が，他にもロボットマニピュレータの要素についても同
様であり，さらにロボット以外の移動物体の移動経路を
求めるものについても適用可能である。

【００１６】

【発明の効果】本発明に係るロボットマニピュレータの
移動経路の自動生成方法は，上記したように構成されて
いるため，三次元空間内での障害物回避を，本発明では
二次元平面障害物回避問題に帰着させる。その結果，比
較的小さな記憶領域で，実用的な計算時間による高速な
経路生成処理が実現できる。また，経路についても，障
害物との干渉を起こすことなく，且つ必要以上に迂回す
ることもないものが生成される。さらに，上記補正され
た経路が複数ある場合には，所定の評価を行って最適な
１つの経路を選択することができる。さらに，上記所望
の平面を複数考える場合には，該所望の平面ごとに得ら
れた上記経路の中から所定の評価を行って１つの経路を
選択することにより，三次元的に考えた安全且つ能率の
良い経路が得られる。このように，複数の解が得られた
時に，その絞り込みをも自動的に行うことができるの
で，省力化に寄与し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態及び実施例（第１の実施
例）に係るロボットマニピュレータの移動経路の自動生
成方法の概略構成を示すフロー図。

【図２】 本発明の他の実施例（第２の実施例）に係る
ロボットマニピュレータの移動経路の自動生成方法の概
略構成を示すフロー図。

【図３】 本第１の実施例方法において設定した平面の
具体例を示す説明図。

【図４】 上記平面に対するステップＳ０２実行後の状
態を示す説明図。

【図５】 上記平面に対するステップＳ０４実行後の状
態を示す説明図。

【図６】 上記平面に対する移動経路生成の最終状態を
示す説明図。

【符号の説明】

Ｓ０１…断面作成工程 Ｓ０２…侵入禁止領域の作成・統合工程 Ｓ０３…侵入禁止領域と経路との干渉チェック工程 Ｓ０４…サブゴール設定工程 Ｓ０５…干渉回避軌跡の選択工程

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元空間内で作業をするロボットマニ
   ピュレータの要素を，障害物を回避しつつ，初期位置か
   ら目標位置まで移動させる経路を自動生成する方法にお
   いて，上記要素の初期位置と目標位置とを含む複数の平
   面のうちの所望の平面上の障害物の断面形状を，ロボッ
   トマニピュレータの要素が障害物との干渉を回避できる
   程度に拡大した侵入禁止領域を作成し，上記所望の平面
   上の上記要素の初期位置と目標位置とを直線で結んで上
   記経路を初期生成し，上記経路が上記侵入禁止領域と干
   渉するときは，上記経路を，上記侵入禁止領域との干渉
   を回避するような侵入禁止領域の頂点を通る経路に補正
   してなることを特徴とするロボットマニピュレータの移
   動経路の自動生成方法。
2. 【請求項２】 上記補正された経路が複数ある場合に
   は，所定の評価を行って１つの経路を選択する請求項１
   記載のロボットマニピュレータの移動経路の自動生成方
   法。
3. 【請求項３】 上記所望の平面が複数ある場合には，該
   所望の平面ごとに得られた上記経路の中から，所定の評
   価を行って１つの経路を選択する請求項１又は２記載の
   ロボットマニピュレータの移動経路の自動生成方法。